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WO2001053277A1 - Procede d'obtention de polyisocyanate(s) ramifie(s) faiblement colore(s), et composition en decoulant - Google Patents

Procede d'obtention de polyisocyanate(s) ramifie(s) faiblement colore(s), et composition en decoulant Download PDF

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WO2001053277A1
WO2001053277A1 PCT/FR2001/000186 FR0100186W WO0153277A1 WO 2001053277 A1 WO2001053277 A1 WO 2001053277A1 FR 0100186 W FR0100186 W FR 0100186W WO 0153277 A1 WO0153277 A1 WO 0153277A1
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WO
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monomers
advantageously
isocyanate
reaction
atoms
Prior art date
Application number
PCT/FR2001/000186
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Inventor
Jean-Marie Bernard
Frédéric DALLEMER
Denis Revelant
Original Assignee
Rhodia Chimie
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Priority claimed from FR0005736A external-priority patent/FR2808528B1/fr
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Priority to EP01907650A priority patent/EP1248772B1/fr
Priority to DE60118163T priority patent/DE60118163T2/de
Priority to AU2001235565A priority patent/AU2001235565A1/en
Priority to US10/181,495 priority patent/US6642382B2/en
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D251/00—Heterocyclic compounds containing 1,3,5-triazine rings
    • C07D251/02—Heterocyclic compounds containing 1,3,5-triazine rings not condensed with other rings
    • C07D251/12—Heterocyclic compounds containing 1,3,5-triazine rings not condensed with other rings having three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D251/26—Heterocyclic compounds containing 1,3,5-triazine rings not condensed with other rings having three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members with only hetero atoms directly attached to ring carbon atoms
    • C07D251/30—Only oxygen atoms
    • C07D251/34—Cyanuric or isocyanuric esters

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of polyisocyanates-polyisocyanurates by catalytic cyclotimerization of monomeric polyisocyanates. It relates more particularly to the cyclotrimerization of isocyanate functions carried by sp 3 hybridization carbons of a particular nature. These carbons are carbons, either in the neopentyl position, that is to say that said carbon is linked to a tertiary radical such as tertiobutyl, or that said carbon is a secondary or tertiary carbon, preferably entering an aliphatic ring .
  • trimerizations generally use basic mechanisms. These bases can be ionic in nature such as hydroxides or the strong base and weak acid salts. These bases can also be nonionic bases but having a very accessible and very basic doublet.
  • the first trimerizations carried out were on aromatic isocyanates, that is to say isocyanates carried by a carbon member of an aromatic nucleus. These trimerizations do not present any particular difficulty and catalysts capable of easily achieving trimerizations of aromatic isocyanates are easily found.
  • aliphatic isocyanates are too volatile to be used as is. So we have to weigh down their molecules by making either oligomers (biurets, trimers, ...), or oligo-condensates with polyols.
  • trimerization of straight chain aliphatic isocyanates is now well under control and there are catalysts capable of producing trimerizations in good conditions, that is to say with good yields and developing little coloration.
  • trimerization of branched aliphatic isocyanates and, in particular, of cycloaliphatic isocyanates or in the neopentyl position remains difficult on the one hand, because of the difficulty of finding catalysts giving satisfactory yields and productivity and, secondly, because these derivatives have a high propensity to develop unwanted colorings within them.
  • EP 330 966 describes a process for the trimerization of HDI using a quaternary ammonium hydroxide in which the starting HDI is freed of carbon dioxide to a residual content of less than 20 ppm by weight, this in order to reduce the amount of catalyst to a value less than 0.03% by weight in order to reduce the coloration of the final reaction medium.
  • EP 524 501 describes a process for the preparation of polyisocyanates comprising isocyanurate and allophanate groups from HDI using, as catalyst, a trimethylbenzylammonium hydroxide or a quaternary ammonium hydroxide in which the substituents are C alkyl groups ⁇ o optionally substituted by hydroxyl groups. It is specified in this document that the starting HDI mixture comprises less than 10 ppm of CO 2 .
  • the catalysts illustrated in this document all have three methyl substituents, the fourth being either a benzyl group or a hydroxyalkyl group.
  • US 5,232,988 describes a process for the preparation of masked polyisocyanates comprising the trimerization reaction of cyclic diisocyanates such as PIPD1 in the presence of carboxylates, phenolates or hydroxides of quaternary ammoniums in which the starting diisocyanate is treated by bubbling an inert gas.
  • US 5,914,383 describes the preparation of a polyisocyanate composition comprising iminooxadiazine dione type trimers and optionally isocyanurate groups in the presence of a polyfluoride as catalyst.
  • This document describes in particular the preparation of a composition of the aforementioned type from HDI and from IPDI in which, before the catalytic reaction proper, the gases dissolved in the mixture of starting isocyanates are eliminated.
  • EP 379 914 and US 5,013,838 recommend the addition of carbon dioxide during the trimerization of aliphatic and / or cycloaliphatic organic diisocyanates, using a catalyst consisting of an ammonium or phosphonium fluoride. This is why one of the aims of the present invention is to provide a process which makes it possible to obtain trimers of branched isocyanates while avoiding developing undesirable coloration.
  • Another object of the present invention is to provide a process which allows good yields and good productivity.
  • Another object of the present invention is to provide a process which allows the trimerization of cycloaliphatic isocyanates and in particular of IPDI (often designated by the name of isophoronediisocyanate).
  • Another object of the present invention is to provide a process which allows the trimerization of cycloaliphatic isocyanates by improving the reactivity of the catalytic system used for this purpose.
  • the invention also relates to a process for the preparation of polyisocyanates by cyclotrimerization of isocyanate functions carried by isocyanates having a branched hydrocarbon skeleton, characterized in that it comprises the following steps: a) supply of starting isocyanate monomers; b) elimination of the reactive gases from said isocyanate monomers; c) optionally, supply of a starting reaction medium comprising said starting monomeric isocyanates; d) addition of a cyclotrimerization catalyst consisting of an ammonium or quaternary phosphonium compound, as defined above; e) reaction until the desired transformation rate is obtained; and f) optionally removing unreacted monomers; the order of steps b) and c) being indifferent.
  • step c) can be omitted.
  • no substituent on "onium” compounds (ammonium or phosphonium) carries a hydroxyl function (such as phenol or alcohol).
  • no substituent has less than 2 atoms, advantageously less than 3 carbon atoms.
  • the set of substituents comprises at least 1 and at most 2 radicals of more than 12 atoms, advantageously more than 10 atoms, preferably more than 6 carbon atoms.
  • the substituents are advantageously chosen from alkyls, including aralkyls and cycloalkyls. It is preferable that they do not carry branching in alpha and even in beta. It is also desirable that they are not functionalized. However, ether functions are acceptable and in particular of the type which result from the opening of the epoxides with an alcohol or an alcoholate.
  • acids are considered as acids not only the usual protic acids but also water and alcohols and any compound which can undergo the tearing of a proton.
  • the preferred acids are essentially water and alcohols, which implies that the quaternary ammonium counter ions are introduced in the form of hydroxide or alcoholate.
  • the present invention will not be deviated from by manufacturing compounds of this type in situ. In fact, during the study that led to the present invention, it has been shown that the ammonium structure or 'phosphonium played an important role in the development of subsequent staining in the polymerization reaction.
  • radicals substituting identical or different ammonium or phosphonium were chosen from propyl, butyl and pentyl, these radicals preferably being all linear.
  • the present invention relates to the trimerization of polyisocyanate compounds in general and, preferably, carriers of two isocyanate functions, designated in the present description by isocyanate monomers.
  • the present invention may target the trimerization of branched monomers with unbranched, that is to say linear monomers such as HDI, it mainly aims at trimerization or trimerization between different compounds belonging to the same family of branched monomers .
  • branched monomers is meant either a monomer of which at least one isocyanate function is in the cycloaliphatic, secondary, tertiary or neopentyl position.
  • These monomers are advantageously cycloaliphatic monomers.
  • those which are preferred are cycloaliphatic.
  • These monomers are advantageously such that at least one, advantageously the two isocyanate functions, is distant from the nearest ring by at most one carbon and, preferably, is connected directly to him.
  • these cycloaliphatic monomers advantageously have at least one, preferably two isocyanate functions chosen from secondary, tertiary or neopentyl isocyanate functions.
  • IPDI isophoronediisocyanate
  • the starting monomers can also be oligomerization products of isocyanates of lower molecular mass, these oligomerization products carrying isocyanate functions. In this case, it is not necessary to separate the unprocessed oligomer from the reaction product formed.
  • reactive gases the gases capable of interfering with the catalytic polymerization reaction, in particular trimerization, as opposed to inert gases.
  • gases capable of interfering with the catalytic polymerization reaction, in particular trimerization, as opposed to inert gases.
  • gases in particular CO 2
  • reactive gases in the air that is to say gases other than nitrogen and rare gases, in particular oxygen, as well as chlorine or possibly chlorinated volatile compounds, originating in particular from the phosgenation stage.
  • gases other gases present, in particular air have a substantial influence on the progress of the reaction.
  • the elimination of the reactive gases greatly promotes the trimerization reaction, even when the CO 2 content of the starting monomers is as low as on the order of 1 to 2 ppm.
  • the inventors have also found that the content of chlorine compounds, defined by the content of total chlorine, has only a minimal influence on the sensitivity of the reaction.
  • the elimination of the reactive gases can be carried out by any means known to a person skilled in the art, in particular by placing under vacuum, diffusion of an inert gas or even implementation of molecular sieves or chemical traps, or combination of one or more many of these methods.
  • the starting isocyanate monomers have been stored for a prolonged period generally for more than two months, leading to an argumentation of the dissolved reactive gases, it is generally preferable to remove the dissolved reactive gases by subjecting the reaction medium to a vacuum followed by introduction of an inert gas.
  • the vacuum is generally less than 1.10 4 Pa (100 mbar).
  • the introduction by diffusion into the liquid reaction medium of an inert gas is generally sufficient.
  • the inert gas is advantageously nitrogen or a rare gas, for example argon. Diffusion is carried out at a temperature of the order of 0 to 70 ° C. Higher temperatures can be used. Diffusion can be achieved by bubbling. However, degassing is all the more effective the smaller the size of the gas bubbles generated. To this end, we will adapt the dissemination tools in such a way that the elimination of reactive gases is rapid without causing clogging of the diffusion devices used.
  • Vacuuming and / or diffusion are carried out for a sufficient time to lower the rate of reactive gases in the starting reaction medium.
  • there is good degassing when the dissolved CO 2 is less than 20 ppm, preferably less than 2 ppm.
  • the measurement of the CO 2 content as well as the content of gases other than CO 2 are advantageously determined by conventional analytical techniques, in particular by gas chromatography, using for standards profiles obtained with injections of variable volumes of
  • the optimal degassing conditions also depend on the conditions for treating the isocyanates after the synthesis of these Gi, in general by phosgenation, and the storage conditions.
  • the degassing operation can be carried out after the phosgenation of the amines, once the mixture has been purified and has stabilized. And this under the conditions below. If it is stored in good conditions (darkness, temperature below 30 ° C in airtight containers, especially humidity), the monomeric isocyanate can be used in the trimerization process even after a period prolonged storage (two to four months or more).
  • Advantageous conditions for eliminating the quantities of dissolved reactive gases are, in the case of quantities of starting monomers of the order of 500 g, stored for a period greater than two months, a vacuum of 15 mbar for a sufficient duration, generally one hour at room temperature, followed by diffusion of an inert gas, for example nitrogen by bubbling or the like into the liquid or mass for about 30 minutes.
  • an inert gas for example nitrogen by bubbling or the like into the liquid or mass for about 30 minutes.
  • the gas to be removed is strongly acidic, that is to say having a pH value of less than 3 (Handbook, 67 th Ed., P D-146 of Chemistry and Physics), it is preferable to degas before the introduction of the catalyst, to avoid irreversible poisoning of the catalyst.
  • the gas to be eliminated is not strongly acidic, in particular in the case of CO 2 , degassing can be carried out before or after introduction of the catalyst and also during the trimerization step of the starting isocyanates.
  • the formulation of the catalyst also has an influence on the reaction kinetics.
  • the water reacts with the isocyanate to give biuret and CO 2 .
  • the CO 2 generated would lead to a decrease in the reaction rate. This is why it is preferable to maintain a continuous diffusion of inert gas when using aqueous catalyst formulations.
  • Aqueous or hydroalcoholic formulations are preferred, because of the solubility of oniums in these media before introduction into the reaction medium, due to the hydrogen dissolved in these solutions.
  • the operating conditions of the process of step e) according to the present invention can be those which are usually used for the trimerizations of linear aliphatics, in particular the temperature can be chosen between 40 and 100 ° C., preferably between 50 and 90 ° C.
  • a particularly satisfactory operating point is between 60 and 80 ° C. It is also possible to start heating the reaction medium before the end of step b) of elimination of the dissolved reactive gases, in particular when the latter consists of a simple bubbling of an inert gas.
  • the poisoning of the catalyst is however preferably carried out by means of acid esters of phosphoric acid, and in particular of phosphoric esters of dialkoyia, in particular such as dibutyl phosphate and di-2-ethylhexyl phosphate.
  • the manner in which the catalyst according to the present invention is introduced also plays a role.
  • the coloration develops less than in the case where the catalyst is introduced into an alcoholic mixture.
  • hydroalcoholic solvents give fairly good results.
  • the diluents must, on the one hand, ensure the dissolution of the ionic compound which constitutes the catalyst and, on the other hand, ensure the diffusion in the medium which constitute the monomers of the reaction mixture. Mixtures of water (0 to 50%, advantageously from 5 to 40%), butanol (0 to 50%, preferably 5 to 40%) and heavy alcohol (s) (greater than or equal to C s ) or ether alcohols (2-ethoxy ethylene glycol) (qs 100%) give good results.
  • trimerization is carried out up to the desired transformation rate.
  • the polyisocyanates generally have a high viscosity which is difficult to reconcile with the subsequent application conditions.
  • the quantity of catalyst used is advantageously between 10 "5 and 10 " 2 times the total mass of the isocyanate monomers introduced, preferably 10 "4 to 10 " 3 , expressed in mass quantities of the catalyst without solvent.
  • quantities of catalysts are preferred such that the mass ratio of the catalyst / mass of the isocyanate functions is between 10 "5 and 10 " 2 .
  • the present invention also relates to compositions comprising: - from 20% to 80% by mass of compound (s) with isocyanurate rings produced from cycloaliphatic monomer (s);
  • the method for assaying the NCO functions is carried out according to standard AFNOR NFT 52-132 (reaction of the isocyanate functions with excess dibutylamine and assay of the dibutylamine in return by hydrochloric acid).
  • CO 2 measurement method CO 2 is measured using a gas chromatography technique.
  • the hydrolysable chlorine dosing method is carried out according to the AFNOR NF T 52-135 standard.
  • Example 1 800 g of IPDI are loaded into a 1 I reactor and stirred under a stream of argon. The 'catalyst is introduced in the proportions indicated above, after at room temperature. Stirring is maintained and the reaction medium is carried out at the reaction temperature in general at 68 ° C. The progress of the reaction is followed by titration of the residual NCO functions.
  • TMBA namely trimethylbenzylammonium
  • TBA namely tetrabutylammonium
  • TBP tetrabutylphosphonium
  • TOMA methyltrioctylammonium
  • TMPA phenyl-trimethylammonium
  • TOEP ethyltrioctylphosphonium
  • Tests under the preceding conditions with redistilled IPDI, were carried out with the catalyst tetrabutylammonium in the form of hydroxide dissolved in water in an amount of 26%.
  • the amount of catalyst (dry) used is 0.2% and 0.4% in the case of the choline bic catalyst, and the reaction temperature is 68 ° C.
  • the tests are collated in the following table.
  • the procedure consists, when the desired TT (IPDI) is reached, in adding the DBP directly to the reaction medium, with stirring, at the reaction temperature. After 30 minutes of treatment, a new sampling is carried out with titration of the free NCO functions and measurement of the coloration.
  • the amount of DBP corresponds to 1 molar equivalent, relative to the initial amount of catalyst introduced.
  • TBA OH / water catalysis
  • 0.17% of DBP is then introduced, by weight relative to the initial IPDI.
  • the choline bic / water catalysis
  • 0.05% by weight is introduced.
  • blocking by DBP appears effective, with a reaction stop confirmed after 30 minutes of contact.
  • the reaction is carried out in a 1 l reactor with mechanical stirring, temperature regulation and bubbling of argon by plunging rod.
  • the IPDI is heated for 1 hour at 68 ° C., with stirring, partial vacuum of 39 mbar and bubbling with argon.
  • the CO 2 content is then evaluated by the method described above less than 2 mg / kg of IPDI
  • the catalytic solution is introduced in 26 minutes.
  • the reaction medium is maintained at a temperature of 68 ° C, with stirring.
  • the progress of the reaction is followed by titration of the residual isocyanate functions.
  • the coloring of the reaction mass is evaluated at 12 Hazen.
  • the reaction mass is distilled on a thin-layer evaporator, at a temperature of 191 ° C and a vacuum of less than 0.3 mbar.
  • the final product formulated with 70% dry extract in n-butyl acetate has a clear appearance and a coloring of 40 Hazen, an NCO level of 12.5% and a viscosity of 342 mPa.s.
  • Example 4
  • TBA OH tetrabutylammonium hydroxide catalyst
  • the reaction is carried out in a 1 l reactor with mechanical stirring, temperature regulation and bubbling of argon by plunging rod.
  • the IPDI is maintained for 1 hour at 25 ° C., with stirring and bubbling with argon.
  • the catalytic solution is introduced in 20 minutes.
  • the reaction medium is heated to a temperature of 50 ° C., with stirring.
  • the progress of the reaction is followed by titration of the residual isocyanate functions.
  • the degree of conversion of the IPDI reaches 47%
  • the blocking solution is introduced and, 15 minutes later, the reaction mass is cooled to room temperature.
  • the coloring of the reaction mass is evaluated at 8 Hazen.
  • the reaction mass is distilled on a thin-layer evaporator, at a temperature of 191 ° C and a vacuum of less than 0.3 mbar.
  • the reaction is carried out in a 0.1 I reactor with mechanical stirring, temperature regulation and CO 2 bubbling by plunging rod under the same conditions as in Example 3.
  • the reaction is carried out at 80 ° C., after a period of 1 h 30 min, the degree of conversion of the IPDI reaches 35%.
  • the reaction mass is cooled to room temperature and the coloration is evaluated at 191 Hazen.

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Abstract

La présente invention a pour objet un procédé de cyclotrimérisation de fonctions isocyanates par action d'un catalyseur à base d'ammonium ou de phosphonium quaternaire caractérisé par le fait que lesdites fonctions isocyanates sont ramifiées et par le fait que lesdits oniums sont choisis parmi ceux dont la somme des carbones est au plus égale à 30 et au moins égale à 12; dont le contre-ion est choisi parmi les anions correspondant à des acides faibles dont le pKA est au moins égal à 8, de préférence à 10, plus préférentiellement à 12; dont les substituants sont aliphatiques et ne possèdent pas d'insaturation en bêta; et que lesdits oniums comportent au plus 2 radicaux de plus de 6 atomes, avantageusement de plus de 10 atomes, de préférence de plus de 12 atomes de carbone.

Description

Procédé d'obtention de polvisocvanate(s) ramifié(s) faiblement coloré(sκ et composition en découlant
La présente invention a pour objet un procédé de préparation de polyisocyanates-polyisocyanurates par cyclotrimérisation catalytique de polyisocyanates monomères. Elle concerne plus particulièrement la cyclotrimérisation de fonctions isocyanates portées par des carbones d'hybridation sp3 de nature particulière. Ces carbones sont des carbones, soit en position néopentylique, c'est-à-dire que ledit carbone est relié à un radical tertiaire tel que le tertiobutyle, soit que ledit carbone est un carbone secondaire ou tertiaire, de préférence entrant dans un cycle aliphatique.
La cyclotrimérisation des isocyanates est connue depuis plusieurs décennies. Ces trimérisations mettent en général en œuvre des mécanismes de nature basique. Ces bases peuvent être de nature ionique comme les hydroxydes ou les sels de base forte et d'acide faible. Ces bases peuvent également être des bases non ioniques mais présentant un doublet très accessible et très basique.
Les premières trimérisations réalisées l'ont été sur les isocyanates aromatiques, c'est-à-dire les isocyanates portés par un carbone membre d'un noyau aromatique. Ces trimérisations ne présentent pas de difficulté particulière et l'on trouve aisément des catalyseurs susceptibles de réaliser facilement des trimérisations d'isocyanates aromatiques.
Les problèmes inhérents aux isocyanates aromatiques ont conduit à développer des isocyanates aliphatiques qui présentent des propriétés chimiques et des propriétés physiques distinctes et souvent très améliorées par rapport aux isocyanates aromatiques.
La plupart des isocyanates aliphatiques sont trop volatils pour être utilisés tels quels. Aussi est-on obligé d'alourdir leurs molécules en réalisant soit des oligomères (biurets, trimères, ...), soit des oligo-condensats avec des polyols.
La trimérisation des isocyanates aliphatiques à chaîne linéaire est désormais bien maîtrisée et l'on possède des catalyseurs capables de réaliser des trimérisations dans de bonnes conditions, c'est-à-dire avec de bons rendements et en développant peu de coloration.
En revanche, pour des raisons qui ne sont pas complètement élucidées, la trimérisation d'isocyanates aliphatiques ramifiés et, notamment, d'isocyanates cycloaliphatiques ou en position néopentylique, reste difficile d'une part, en raison de la difficulté à trouver des catalyseurs donnant des rendements et une productivité satisfaisants et, d'autre part, parce que ces dérivés ont une forte propension à développer en leur sein des colorations indésirables. Les problèmes de coloration, ainsi que cela a été mentionné précédemment, ont déjà été traités pour les isocyanates aliphatiques linéaires tels que l'HDI (hexaméthylènediisocyanate) mais les techniques utilisées sont difficilement transposables aux isocyanates de nature ramifiée tels que les isocyanates en positions néopentylique, cycloaliphatique et tertiaire, et ce, en particulier, parce que la réactivité de ces isocyanates ramifiés est très significativement moindre de celle des isocyanates linéaires, en sorte que les catalyseurs utilisés pour les isocyanates aliphatiques linéaires donnent souvent des rendements faibles, voire très faibles, dans le cas des isocyanates ramifiés. Ainsi, on a proposé d'utiliser comme anion basique un anion fluorure pour réaliser des cyclotrimérisations d'aliphatiques linéaires sans coloration mais cette technique est difficilement utilisable pour les cycloaliphatiques car les rendements sont très significativement moindres dans leur cas. Le dégazage de monomères isocyanates a par ailleurs déjà été décrit en vue de la cyclotrimérisation d'HDI.
Ainsi, EP 330 966 décrit un procédé de trimérisation d'HDI à l'aide d'un hydroxyde d'ammonium quaternaire dans lequel l'HDI de départ est débarrassé du gaz carbonique jusqu'à une teneur résiduelle inférieure à 20 ppm en poids, ceci afin de réduire la quantité de catalyseur à une valeur inférieure à 0,03 % en poids dans le but de diminuer la coloration du milieu réactionnel final. EP 524 501 décrit un procédé de préparation de polyisocyanates comprenant des groupes isocyanurates et allophanates à partir d'HDI en mettant en oeuvre en tant que catalyseur un hydroxyde de triméthylbenzylammonium ou un hydroxyde d'ammonium quaternaire dans lequel les substituants sont des groupes alkyles en C^o substitués éventuellement par des groupes hydroxyles. Il est précisé dans ce document que le mélange d'HDI de départ comprend moins de 10 ppm de CO2.
Les catalyseurs illustrés dans ce document comportent toutefois tous trois substituants méthyle, le quatrième étant soit un groupe benzyle, soit un groupe hydroxyalkyle.
US 5,232,988 décrit un procédé de préparation de polyisocyanates masqués comprenant la réaction de trimérisation de diisocyanates cycliques tel que PIPD1 en présence de carboxylates, phénolates ou hydroxydes d'ammoniums quaternaires dans lequel le diisocyanate de départ est traité par bullage d'un gaz inerte.
US 5,914,383 décrit la préparation d'une composition polyisocyanate comprenant des trimères de type iminooxadiazine dione et éventuellement des groupes isocyanurates en présence d'un polyfluorure en tant que catalyseur. Ce document décrit en particulier la préparation d'une composition du type précité à partir d'HDI et d'IPDI dans laquelle, avant la réaction catalytique à proprement parler, on élimine les gaz dissous dans le mélange d'isocyanates de départ.
DE 197 54 748 et EP 927 731 décrivent des procédés de préparation de polyisocyanates à partir d'IPDI mettant en oeuvre des monomères de départ ayant de faibles teneurs en chlore, obtenus notamment par le procédé dit "urée".
A l'inverse, EP 379 914 et US 5,013,838 préconisent l'addition de dioxyde de carbone lors de la trimérisation de diisocyanates organiques aliphatiques et/ou cycloaliphatiques, mettant en œuvre un catalyseur consistant en un fluorure d'ammonium ou de phosphonium. C'est pourquoi un des buts de la présente invention est de fournir un procédé qui permette l'obtention de trimères d'isocyanates ramifiés en évitant de développer une coloration indésirable.
Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé qui permette de bons rendements et une bonne productivité.
Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé qui permette la trimérisation d'isocyanates cycloaliphatiques et notamment de l'IPDI (souvent désigné par l'appellation d'isophoronediisocyanate).
Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé qui permette la trimérisation d'isocyanates cycloaliphatiques en améliorant la réactivité du système catalytique utilisé à cet effet.
Ces buts, et d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints au moyen d'un procédé de trimérisation de fonctions isocyanates ramifiées par action d'un catalyseur à base d'ammonium ou de phosphonium quaternaire dont la somme des carbones est au plus égale à 30 et au moins égale à 12 ; dont le contre-ion est choisi parmi les anions correspondant à des acides faibles dont le pK/ est au moins égal à 8, de préférence à 10, plus préférentiellement à 12 ; dont les substituants sont aliphatiques (c'est à dire sont reliés à l'atome porteur de la charge positive par un atome de carbone d'hybridation sp3) et ne possèdent pas d'insaturation en bêta (comme en ont les positions benzylique, allylique ou propargylique) ; et que lesdits oniums comportent au plus 2 radicaux de plus de 6 atomes, avantageusement de plus de 10 atomes, de préférence de plus de 12 atomes de carbone.
L'invention a également pour objet un procédé de préparation de polyisocyanates par cyclotrimérisation de fonctions isocyanates portées par des isocyanates ayant un squelette hydrocarboné ramifié, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a) fourniture d'isocyanates monomères de départ ; b) élimination des gaz réactifs desdits monomères isocyanates; c) éventuellement, fourniture d'un milieu réactionnel de départ comprenant lesdits isocyanates monomères de départ ; d) addition d'un catalyseur de cyclotrimérisation consistant en un composé d'ammonium ou de phosphonium quaternaire, tel que défini ci- dessus ; e) réaction jusqu'à obtention du taux de transformation désiré ; et f) éventuellement élimination des monomères n'ayant pas réagi ; l'ordre des étapes b) et c) étant indifférent.
Ainsi, l'élimination des gaz réactifs peut avoir lieu sur les isocyanates de départ eux-mêmes ou après introduction de ceux-ci dans un milieu réactionnel éventuel comprenant un solvant approprié. II va de soi que lorsque la réaction est effectuée sans solvant, directement dans la masse des isocyanates, l'étape c) peut être omise.
Avantageusement, aucun substituant des composés "oniums" (ammonium ou phosphonium) n'est porteur de fonction hydroxyle (telle que phénol ou alcool). En outre, selon une des mises en œuvre préférées de la présente invention, aucun substituant ne présente moins de 2 atomes, avantageusement moins de 3 atomes de carbone.
Selon une autre mise en œuvre préférée, l'ensemble des substituants comporte au moins 1 et au plus 2 radicaux de plus de 12 atomes, avantageusement de plus de 10 atomes, de préférence de plus de 6 atomes de carbone.
Les substituants sont avantageusement choisis parmi les alcoyles, y compris les aralcoyles et les cycloalcoyles. Il est préférable qu'ils ne portent pas de ramification en alpha et même en bêta. Il est également souhaitable qu'ils ne soient pas fonctionnalisés. Toutefois des fonctions éthers sont acceptables et notamment du type de celles qui sont issues de l'ouverture des époxydes par un alcool ou un alcoolate.
Selon la présente invention, sont considérés comme acides non seulement les acides protiques usuels mais encore l'eau et les alcools et tout composé pouvant subir l'arrachement d'un proton.
Les acides préférés sont essentiellement l'eau et les alcools, ce qui implique que les contre ions de l'ammonium quaternaire sont introduits sous la forme d'hydroxyde ou d'alcoolate. Toutefois, on ne s'écartera pas de la présente invention en fabriquant in situ des composés de ce type. En effet, au cours de l'étude qui a mené à la présente invention, il a été démontré que la structure de l'ammonium ou du ' phosphonium jouait un rôle important dans le développement de la coloration subséquente à la réaction de polymérisation.
Il est apparu en particulier que la présence de méthyle et de composés de nature benzylique jouait un rôle néfaste sur la coloration de la composition après trimérisation.
Les résultats les meilleurs ont été obtenus lorsque les radicaux substituant l'ammonium ou le phosphonium identiques ou différents étaient choisis parmi propyle, butyle et pentyle, ces radicaux étant de préférence tous linéaires.
La présente invention vise la trimérisation de composés polyisocyanates en général et, de préférence, porteurs de deux fonctions isocyanates, désignés dans la présente description par isocyanates monomères.
Au cours de la réaction, d'autres composés peuvent toutefois être formés en fonction de la nature et de la formulation du catalyseur et, le cas échéant, du co-catalyseur tel que décrit dans la demande WO 99/23 128, notamment des dimères, aminooxadiazinediones, carbamates, allophanates, biurets, etc.
Quoique la présente invention puisse viser la trimérisation de monomères ramifiés avec des monomères non ramifiés, c'est-à-dire linéaires tels que l'HDI, elle vise principalement la trimérisation ou la trimérisation entre différents composés appartenant à la même famille des monomères ramifiés.
Par "monomères ramifiés" ainsi que cela a déjà été mentionné, on entend soit un monomère dont au moins une fonction isocyanate est en position cycloaliphatique, secondaire, tertiaire ou néopentylique. Ces monomères sont avantageusement des monomères cycloaliphatiques. Ainsi, parmi ces produits, ceux qui sont préférés sont cycloaliphatiques. Ces monomères sont avantageusement tels qu'au moins l'une, avantageusement les deux fonctions isocyanates, soit distante du cycle le plus proche d'au plus un carbone et, de préférence, est reliée directement à lui. En outre, ces monomères cycloaliphatiques présentent avantageusement au moins une, de préférence deux fonctions isocyanates choisies parmi les fonctions isocyanates secondaire, tertiaire ou néopentylique.
Les meilleurs résultats sont obtenus quand la liberté conformationnelle du monomère cycloaliphatique est faible. Comme monomères susceptibles de donner de bons résultats, on peut citer à titre d'exemple les monomères suivants :
- les composés correspondant à l'hydrogénation du ou des noyaux aromatiques porteurs des fonctions isocyanates de monomères d'isocyanates aromatiques et notamment du TDI (toluènediisocyanate) et des diisocyanato-biphényles, le composé connu sous le sigle H12MDI, les divers BIC [Bis(isocyanato-méthylcyclohexane)] et les cyclohexyldiisocyanates éventuellement substitués ; et surtout - le norbornanediisocyanate, souvent désigné par son sigle
NBDI ;
- l'isophoronediisocyanate, ou IPDI, ou plus précisément 3- isocyanatométhyl-3,5,5-triméthylcyclo-hexylisocyanate.
Les monomères de départ peuvent également être des produits d'oligomérisation d'isocyanates de plus faible masse moléculaire, ces produits d'oligomérisation étant porteurs de fonctions isocyanates. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de séparer i'oligomère non transformé du produit réactionnel formé.
Les travaux des inventeurs auteurs de la présente invention ont permis de découvrir que la polymérisation d'isocyanates du type décrit plus haut peut être effectuée avec un rendement élevé, et une coloration sensiblement réduite par la combinaison d'un catalyseur du type décrit ci- dessous et une étape d'élimination des gaz réactifs dissous dans le milieu réactionnel comprenant les monomères de départ sur lequel est réalisée la réaction de polymérisation ultérieure.
Par "gaz réactifs", on entend les gaz susceptibles d'interférer avec la réaction catalytique de polymérisation, notamment trimérisation, par opposition aux gaz inertes. Il s'agit notamment de CO2, mais également des gaz réactifs de l'air, c'est-à-dire les gaz autres que l'azote et les gaz rares, notamment J'oxygène, ainsi que du chlore ou éventuellement des composés volatils chlorés, provenant notamment de l'étape de phosgénation. Les inventeurs ont par ailleurs déterminé que si la sensibilité de la réaction est influencée par la teneur en CO2 dissous dans le milieu réactionnel, d'autres gaz présents notamment l'air ont une influence substantielle sur le déroulement de la réaction. Ainsi, l'élimination des gaz réactifs favorise grandement la réaction de trimérisation, même lorsque la teneur en CO2 des monomères de départ est aussi faible que de l'ordre de 1 à 2 ppm.
Les inventeurs ont par ailleurs trouvé que la teneur en composés chlorés, définie par la teneur en chlore total, n'a qu'une influence minime sur la sensibilité de la réaction.
L'élimination des gaz réactifs peut être effectuée par tout moyen connu de l'homme du métier, notamment par mise sous vide, diffusion d'un gaz inerte ou encore mise en œuvre de tamis moléculaires ou pièges chimiques, ou combinaison d'une ou plusieurs de ces méthodes.
Lorsque les monomères isocyanates de départ ont été stockés de manière prolongée généralement depuis plus de deux mois, conduisant à une argumentation des gaz réactifs dissous, il est généralement préférable d'éliminer les gaz réactifs dissous en soumettant le milieu réactionnel à un vide suivi de l'introduction d'un gaz inerte.
Le vide est généralement inférieur à 1.104 Pa (100 mbar).
Lorsque les monomères de départ ont été stockés pendant une durée plus courte, l'introduction par diffusion dans le milieu réactionnel liquide d'un gaz inerte est généralement suffisante.
Le gaz inerte est avantageusement l'azote ou un gaz rare, par exemple l'argon. La diffusion est effectuée à une température de l'ordre de 0 à 70°C. Des températures plus élevées peuvent être utilisées. La diffusion peut être réalisée par barbotage. Toutefois, le dégazage est d'autant plus efficace que la taille des bulles de gaz générées est petite. A cet effet, on adaptera les outils de diffusion de telle manière que l'élimination des gaz réactifs soit rapide sans entraîner de colmatage des dispositifs de diffusion mis en œuvre.
La mise sous vide et/ou la diffusion sont effectuées pendant une durée suffisante pour abaisser le taux des gaz réactifs dans le milieu réactionnel de départ. En particulier, on considère que l'on a un bon dégazage quand le CO2 dissous est inférieur à 20 ppm, de préférence inférieure à 2 ppm.
La mesure du taux de CO2 ainsi que la teneur en gaz autres que le CO2 sont avantageusement déterminés par des techniques analytiques classiques, notamment par chromatographie en phase gazeuse, en utilisant pour étalons des profils obtenus avec des injections de volumes variables de
CO2 pur et/ou des autres gaz purs.
Les conditions optimales de dégazage dépendent aussi des conditions de traitement des isocyanates après la synthèse de ceux-Gi, en général par phosgénation, et des conditions de stockage.
En particulier l'opération de dégazage peut être réalisée après la phosgénation des aminés, une fois que le mélange a été purifié et se soit stabilisé. Et ce dans les conditions ci-après. S'il est conservé dans de bonnes conditions (obscurité, température inférieure à 30°C dans des récipients hermétique à l'air et notamment à l'humidité), l'isocyanate monomère peut être utilisé dans le procédé de trimérisation même après une période de stockage prolongée (deux à quatre mois, voire plus).
Toutefois pour être sûr d'obtenir une faible coloration, il est préférable de traiter les isocyanates stockés pendant une période prolongée comme décrit ci-après.
Des conditions avantageuses d'élimination des quantités de gaz réactifs dissous sont, dans le cas de quantités de monomères de départ de l'ordre de 500 g, entreposées depuis une période supérieure à deux mois, un vide de 15 mbars pendant une durée suffisante, généralement d'une heure à température ambiante, suivi par une diffusion de gaz inerte, par exemple d'azote par barbotage ou autre dans le liquide ou la masse pendant environ 30 minutes. Pour des monomères de départ ayant été conservés pendant une période de temps moins longue, une simple diffusion d'azote généralement par barbotage pendant une durée de 30 minutes à température ambiante suffisante, pour la même quantité de monomères de départ. Si le gaz à éliminer est fortement acide, c'est-à-dire ayant une valeur de pH inférieure à 3 (Handbook, 67ème Ed., p D-146 of Chemistry and Physics), il est préférable d'effectuer le dégazage avant l'introduction du catalyseur, pour éviter l'empoisonnement de manière irréversible du catalyseur. Inversement, lorsque le gaz à éliminer n'est pas fortement acide, en particulier dans le cas du CO2, le dégazage peu être effectué avant ou après introduction du catalyseur et également pendant l'étape de trimérisation des isocyanates de départ.
Les inventeurs ont également montré que la formulation du catalyseur avait aussi une influence sur la cinétique de réaction. En particulier, dans le cas de formulations aqueuses, l'eau réagit avec l'isocyanate pour donner du biuret et du CO2. Le CO2 généré conduirait à une diminution de la vitesse de réaction. C'est pourquoi il est préférable de maintenir une diffusion continue de gaz inerte lorsqu'on utilise des formulations aqueuses de catalyseur.
Cela permet aussi de mettre en œuvre des quantités très faibles de catalyseur et évite l'introduction successive de petites quantités de catalyseur pour maintenir la réactivité.
Les formulations aqueuses ou hydroalcooliques sont préférées, en raison de la solubilité des oniums dans ces milieux avant introduction dans le milieu réactionnel, due à l'hydrogène dissous dans ces solutions.
Les conditions opératoires du procédé de l'étape e) selon la présente invention peuvent être celles qui sont usuellement utilisées pour les trimérisations d'aliphatiques linéaires, en particulier la température peut être choisie entre 40 et 100°C, de préférence entre 50 et 90°C.
Un point de fonctionnement particulièrement satisfaisant se situe entre 60 et 80°C. Il est par ailleurs possible de débuter le chauffage du milieu réactionnel avant la fin de l'étape b) d'élimination des gaz réactifs dissous, en particulier lorsque celle-ci consiste en un simple barbotage d'un gaz inerte.
Au cours de l'étude qui a mené à la présente invention, il a pu être montré que d'autres paramètres influaient sur la diminution de coloration. Les effets de ces paramètres sont favorables seuls ou en combinaison avec les autres paramètres dans la présente demande mentionnés ci-dessus.
Ainsi, il a été démontré qu'une distillation préalable des monomères de départ permettait de réduire la coloration développée au cours de la réaction de trimérisation.
Habituellement, on bloque les réactions de trimérisation utilisant des oniums quaternaires par chauffage. Au cours de l'étude qui a mené à la présente invention, il a été montré que cette technique de désactivation du catalyseur donnait de très mauvais résultats en ce qui concerne la coloration. Aussi, a-t-il été montré qu'il était préférable d'utiliser une autre technique, connue pour les aliphatiques linéaires, à savoir l'addition d'un acide de force élevée tel que les acides sulfoniques, par exemple les acides mésylique, tosylique, ou phosphonique, ou moyenne, de préférence un ester d'acide phosphore. Comme esters d'acides phosphores, on peut citer les esters de phosphate, notamment les mono- et diesters. On peut également citer les phosphonates, de préférence monoestérifiés, et les phosphinates.
L'empoisonnement du catalyseur est toutefois de préférence réalisé au moyen d'esters acides de l'acide phosphorique, et notamment des esters phosphoriques de dialcoyie, en particulier tels que le phosphate de dibutyle et le phosphate de di-2-éthylhexyle.
La manière dont est introduit le catalyseur selon la présente invention joue également un rôle. Ainsi, lorsque le catalyseur est introduit dans un mélange aqueux, la coloration se développe moins que dans le cas où le catalyseur est introduit dans un mélange alcoolique.
Les solvants hydroalcooliques donnent toutefois d'assez bons résultats. Pour éviter des zones d'emballement de la réaction, il est souhaitable d'introduire le catalyseur sous la forme d'une solution avec une bonne dilution massique. Des solutions de 0,5 % à 40 % en masse de catalyseurs donnent de bons résultats. Les diluants doivent, d'une part, assurer la dissolution du composé ionique que constitue le catalyseur et, d'autre part, assurer la diffusion dans le milieu que constituent les monomères du mélange réactionnel. Des mélanges d'eau (0 à 50%, avantageusement de 5 à 40 %), de butanol (0 à 50%, de préférence 5 à 40 %) et d'alcool(s) lourd(s) (supérieur ou égal à Cs ) ou d'alcools éthers (2-éthoxy éthylèneglycol) (qsp 100%) donnent de bons résultats.
Bien qu'il soit préférable de travailler en utilisant des solutions relativement diluées de catalyseurs, il est possible, selon la présente invention, d'utiliser des solutions très concentrées de catalyseurs, à condition de réaliser l'introduction à basse température, avantageusement à température ambiante ou de préférence inférieure à la température ambiante, et d'homogénéiser avant d'enclencher le processus de chauffe du mélange réactionnel.
En général, la trimérisation est menée jusqu'au taux de transformation désiré. Pour des raisons économiques évidentes, on préfère arrêter la réaction à des taux de transformation des fonctions isocyanates d'au moins 5 % et de façon préférée entre 10 et 50 %. A des taux élevés supérieurs à 50 %, les polyisocyanates présentent généralement une viscosité élevée difficilement compatible avec les conditions d'application ultérieures. Une fois la réaction de polymérisation arrêtée, on élimine en général le reste des monomères par évaporation ou distillation sur film mince et sous vide poussé.
La quantité de catalyseur utilisée est avantageusement comprise entre 10"5 et 10"2 fois la masse totale des monomères isocyanates introduits, de préférence 10"4 à 10"3, exprimé en quantités massiques du catalyseur sans solvant. Dans le cas des oligomères, on préfère des quantités de catalyseurs telles que le rapport masse du catalyseur/masse des fonctions isocyanates soit compris entre 10"5 et 10"2.
La présente invention vise aussi des compositions comportant : - de 20% à 80% en masse de composé(s) à cycles isocyanurates réalisés à partir de monomère(s) cycloaliphatique(s) ;
- de 10"δ à 10"2 d'un ammonium ou d'un phosphonium quaternaire dont la somme des carbones est au plus égale à 25 et au moins égale à 15, et dont aucun substituant ne présente moins de 2 atomes, avantageusement de 3 atomes de carbone ;
- de 20%> à 80% de monomère(s) cycloaliphatique(s). et présentant une coloration ramenée au pourcentage en masse de composé(s) à cycles isocyanurates d'au plus 1 Hazen, avantageusement d'au plus 0,75 hazen, de préférence d'au plus 0,50 Hazen.
Les exemples non limitatifs suivants illustrent l'invention.
La méthode de dosage des fonctions NCO est réalisée selon la norme AFNOR NFT 52-132 (réaction des fonctions isocyanates avec la dibutylamine en excès et dosage de la dibutylamine en retour par l'acide chlorhydrique).
Méthode de mesure du CO2 Le CO2 est mesuré selon une technique de chromatographie en phase gazeuse.
Conditions d'analyse CPG chromatographe : Hewlett-Packard HP5890 n° 6658 05 84 colonne inox : PORAPAK T 80-100 Mesh L:3m d.i.:2 mm température four : 50°C isotherme gaz vecteur : hélium débit colonne : 46,7 ml/mn à 50°C pour P-243,7 Kpa
(Fpmeter) (colonne + référence:66.7) injection : dans tube en U de stripping verre température détecteur : 230°C détecteur : catharomètre basse sensibilité range 0 volume injecté : 0,5 ml d'échantillon liquide injecté dans le tube verre de stripping étalonnage : étalonnage externe par des injections de volumes variables de CO2 pur. Les volumes faibles, (inférieurs à 0,1 ml) sont obtenus par une dilution de 1 ml de CO2/227 ml d'hélium.
La méthode de dosage du chlore hydrolysable est effectuée selon la norme AFNOR NF T 52-135.
Exemple 1 : - 800 g d'IPDI sont chargés dans un réacteur de 1 I et agités sous courant d'argon. Le' catalyseur est introduit dans les proportions indiquées ci-, après à température ambiante. L'agitation est maintenue et le milieu réactionnel est mené à la température de réaction en général à 68°C. L'évolution de la réaction est suivie par titration des fonctions résiduelles NCO. La choline, le TMBA, à savoir le trimethylbenzylammonium, le TBA, à savoir le tétrabutylammonium, le TBP (tétrabutylphosphonium), le TOMA (méthyltrioctylammonium), le phényl-triméthylammonium (TMPA) et le TOEP (éthyltrioctylphosphonium) ont été testés sous la forme d'hydroxydes dans les conditions opératoires ci-après : température 68°C. Les autres conditions opératoires, les quantités de catalyseurs et les résultats sont rassemblés dans le tableau suivant.
Figure imgf000015_0001
Ce tableau montre que la choline donne de bons rendements mais une coloration médiocre, que le TMBA donne également une coloration médiocre, le TMPA donne un rendement extrêmement faible, l'aliquat donne un rendement correct mais une très forte coloration.
Exemple 2 : Rôle de l'empoisonnement du catalyseur
Des essais, dans les conditions précédentes avec de l'IPDI redistillé, ont été réalisés avec comme catalyseur du tétrabutylammonium sous forme d'hydroxyde dissous dans l'eau à raison de 26%. La quantité de catalyseur (sec) utilisé est de 0,2% et 0,4% dans lé cas du catalyseur choline bic, et la température de réaction est de 68°C. Les essais sont rassemblés dans le tableau suivant.
Figure imgf000016_0001
* ( C ) = comparatif ** A.P.T.S. = acide paratoluènesulfonique
*** ( AB ) = avant blocage
**** ( PB ) = après blocage
***** (DBP) = phosphate de dibutyle
Lors des différents essais réalisés, la procédure consiste, lorsque le TT(IPDI) souhaité est atteint, à ajouter la DBP directement dans le milieu réactionnel, sous agitation, à la température de réaction. Après 30 minutes de traitement, on réalise un nouvel échantillonnage avec titrage des fonctions NCO libres et mesure de la coloration. La quantité de DBP correspond à 1 équivalent molaire, par rapport à la quantité initiale de catalyseur introduite. Dans le cas de la catalyse TBA, OH/eau, on introduit alors 0,17% de DBP, en poids par rapport à l'IPDI initial. Dans le cas de la catalyse choline, bic/eau, on introduit 0,05% en poids. Dans tous les cas, avec les catalyseurs choline et TBA, le blocage par le DBP apparaît efficace, avec un arrêt de la réaction confirmé après 30 minutes de contact.
Exemple 3 :
Réactifs (% exprimés en poids/poids) :
- IPDI = 504 g, la teneur initiale en CO2 est évaluée à 45 mg/kg d'IPDI, l'IPDI est distillé avant usage
- catalyseur hydroxyde de tétrabutylammonium (TBA OH), solution catalytique 6% TBA OH / 2-éthylhexanol-butanol-eau (selon un rapport massique 83 : 12 : 5) = 1 ,47 g
- solution de blocage, 8% APTS (acide p-toluène sulfonique) / diéthyl éther d'éthylèneglycol = 1 ,06 g
Mode opératoire
La réaction est effectuée dans un réacteur de 1 I avec agitation mécanique, régulation de la température et bullage d'argon par canne plongeante.
Après introduction dans le réacteur, l'IPDI est chauffé 1 h à 68°C, sous agitation, vide partiel de 39 mbar et bullage d'argon. La teneur de CO2 est alors évaluée par la méthode décrite ci-dessus inférieure à 2 mg/kg d'IPDI
La solution catalytique est introduite en 26 minutes. Le milieu réactionnel est maintenu à une température de 68°C, sous agitation. L'avancement de la réaction est suivi par titration des fonctions isocyanates résiduelles. Après une durée totale de 1 h 15 min, le taux de transformation de l'IPDI atteint 41%, la solution de blocage est introduite et, 15 minutes après, la masse réactionnelle est refroidie à température ambiante. La coloration de la masse réactionnelle est évaluée à 12 Hazen.
La masse réactionnelle est distillée sur évaporateur à couche mince, à une température de 191 °C et un vide inférieur à 0,3 mbar.
Le produit final formulé à 70 % d'extrait sec dans l'acétate de n- butyle présente une apparence limpide et une coloration de 40 Hazen, un taux de NCO de 12,5% et une viscosité de 342 mPa.s. Exemple 4 :
Réactifs (% exprimés en poids/poids) : - IPDI = 504 g, la teneur initiale en CO2 est évaluée inférieure à 2 mg/kg d'IPDI, l'IPDI est distillé avant usage
- catalyseur hydroxyde de tétrabutylammonium (TBA OH), solution catalytique 6% TBA OH / 2-éthylhexanol-butanol-eau (selon un rapport massique 83 : 12 : 5) = 1 ,71 g - solution de blocage, 10% APTS / 2-éthylhexanol = 0,76 g
Mode opératoire
La réaction est effectuée dans un réacteur de 1 I avec agitation mécanique, régulation de la température et bullage d'argon par canne plongeante.
Après introduction dans le réacteur, l'IPDI est maintenu 1 h à 25°C, sous agitation et bullage d'argon.
La solution catalytique est introduite en 20 minutes. Le milieu réactionnel est chauffé à une température de 50°C, sous agitation. L'avancement de la réaction est suivi par titration des fonctions isocyanates résiduelles. Après une durée totale de 3 h 7 min, le taux de transformation de l'IPDI atteint 47%, la solution de blocage est introduite et, 15 minutes après, la masse réactionnelle est refroidie à température ambiante. La coloration de la masse réactionnelle est évaluée à 8 Hazen. La masse réactionnelle est distillée sur évaporateur à couche mince, à une température de 191°C et un vide inférieur à 0,3 mbar.
Le produit final formulé à 70 % d'extrait sec dans l'acétate de n- butyle présente une apparence limpide et une coloration de 13 Hazen, un taux de NCO de 12,5% et une viscosité de 885 mPa.s. Exemple 5 (comparatif) :
Réactifs (% exprimés en poids/poids) :
- IPDI = 35 g - catalyseur hydroxyde de 2-hydroxyéthyltriméthylammonium, en solution à 45% dans le méthanol = 0,032 g
Mode opératoire
La réaction est effectuée dans un réacteur de 0,1 I avec agitation mécanique, régulation de la température et bullage CO2 par canne plongeante dans les mêmes conditions que l'exemple 3.
La réaction est réalisée à 80°C, après une durée de 1 h 30 min, le taux de transformation de l'IPDI atteint 35%. La masse réactionnelle est refroidie à température ambiante et la coloration est évaluée à 191 Hazen.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de cyclotrimérisation de fonctions isocyanates par action d'un catalyseur à base d'ammonium ou de phosphonium quaternaire caractérisé par le fait que lesdites fonctions isocyanates sont ramifiées et par le fait que lesdits oniums sont choisis parmi ceux dont la somme des carbones est au plus égale à 30 et au moins égale à 12 ; dont le contre-ion est choisi parmi les anions correspondant à des acides faibles dont le p A est au moins égal à 8, de préférence à 10, plus preférentiellement à 12 ; dont les substituants sont aliphatiques et ne possèdent pas d'insaturation en bêta ; et que lesdits oniums comportent au plus 2 radicaux de plus de 6 atomes, avantageusement de plus de 10 atomes, de préférence de plus de 12 atomes de carbone.
2. Procédé de préparation de polyisocyanates par (cyclo)trimérisation de fonctions isocyanates portées par des isocyanates ayant un squelette hydrocarboné ramifié, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a) fourniture d'isocyanates monomères de départ ; b) élimination des gaz réactifs desdits monomères isocyanates; c) éventuellement, fourniture d'un milieu réactionnel de départ comprenant lesdits isocyanates monomères de départ ; d) addition d'un catalyseur de (cyclo)trimérisation tel que défini à la revendication 1 ; e) réaction jusqu'à obtention du taux de transformation désiré ; et f) éventuellement élimination des monomères n'ayant pas réagi ; l'ordre des étapes b) et c) étant indifférent.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'aucun substituant dudit onium n'est porteur de fonction hydroxyle.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que ledit contre-ion est un hydroxyde ou un alcoolate ou l'un des anions qu'ils induisent dans le milieu réactionnel.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la teneur en catalyseur du mélange réactionnel est comprise entre 10"5 et 10"2 fois la masse totale des monomères isocyanates.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'aucun substituant dudit onium ne présente moins de 2 atomes, avantageusement moins de 3 atomes de carbone.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'ensemble des substituants dudit onium comporte au moins un et au plus deux radicaux de plus de 12 atomes, avantageusement de 10, de préférence de 6 atomes de carbone.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la réaction est arrêtée par l'addition d'un acide moyen ou fort choisi parmi les acides sulfoniques, avantageusement liposolubles ; et les acides phosphoriques, avantageusement un mono ou un diester d'acide phosphorique.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les fonctions isocyanates sont portées par des isocyanates monomères cycloaliphatiques.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les fonctions isocyanates sont portées par l'isophorone diisocyanate.
11. Procédé selon l'une des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que l'élimination des gaz réactifs du milieu réactionnel est effectuée par diffusion d'un gaz inerte.
12. Procédé selon l'une des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que l'élimination des gaz réactifs est réalisée par mise sous vide du milieu réactionnel à un vide inférieur à 1.104 Pa, suivi par diffusion d'un gaz inerte.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que dans l'étape b), on élimine le CO2.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que dans l'étape b), on élimine l'air dissous dans le liquide ou la masse des monomères de départ.
15. Compositions comportant :
- de 20% à 80% en masse de composé(s) à cycles isocyanurates réalisés à partir de monomère(s) cycloaliphatique(s) ;
- de 10"6 à 10"2 d'un ammonium ou d'un phosphonium quaternaire dont la somme des carbones est au plus égale à 25 et au moins égale à 15, et dont aucun substituant ne présente moins de 2 atomes, avantageusement de 3 atomes de carbone ;
- de 20% à 80% de monomère(s) cycloaliphatique(s). et présentant une coloration ramenée au pourcentage en masse de composé(s) à cycles isocyanurates d'au plus 1 Hazen, avantageusement d'au plus 0,75 hazen, de préférence d'au plus 0,50 Hazen.
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